球坐标工业机械手设计【全套cad图纸】学士学位论文

PAGEII全套设计CAD图纸QQ36396305宁XX大学毕业设计(论文)球坐标工业机械手设计所在学院专业班级姓名学号指导老师2016年月日摘要工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。本次设计所确定的机械手的整体结构为球坐标式机械手，手臂动作为摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求放置不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。本文的机械手用于棒料，直径φ40~φ60，长度450~1200mm，介绍它的组成和分类、自由度和座标型式、液压技术的特点、PLC控制的特点及国内外的发展状况，对机械手进行总体方案设计，确定机械手的座标型式和自由度，确定机械手的技术参数，设计机械手的手臂结构，设计出机械手的液压系统，绘制机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定可编程序控制器的控制方案，画出机械手的工作时的顺序功能图和梯形图，并编制可编程序控制器的控制程序。关键词：机械手,球坐标工业机械手，抓取，棒料；液压；PLC PAGE30AbstractIndustrialmachineryhand(hereinafterreferredtoasthemanipulator)isanewtechnologyofmodernautomaticcontrolinthefield,astheedgedisciplinesmultidisciplinaryintegration,itisoneofthefastestgrowingareasofhightechnology,andhasbecomeanimportantpartofmodernmachinerymanufacturingintheproductionsystem.Theso-calledindustrialmanipulatorisacompleteobjectautomaticallyaccordingtothegivenproceduresorrequirements(suchasmaterials,parts,componentsortools)mechanicaldevicetotransmitoroperation,itcanpartlyreplacethemanuallabor.Themanipulatorofhigherleveltype,cansimulatehumanarmmovement,complexoperation.Theoverallstructureofthedesignofmanipulatorandthesphericalcoordinatemanipulator,armmovementsasswingorrotation,thegripperactionforexpansionandlooseclamp.Becausethemechanicalhandmovementsplaceddifferentworkpieces,sotheimplementationprocessonthewristrotationisrequired.Inthispaper,themechanicalhandforbar,diameterφ40~φ60,length450~1200mm,introducesitscompositionandclassification,degreeoffreedomandcoordinatetype,hydraulictechnologycharacteristics,PLCcontrolcharacteristicsanddevelopmentathomeandabroad,fortheoveralldesignofmanipulator,todeterminethecoordinatesofthemanipulatortypesanddegreesoffreedom,todeterminethetechnicalparametersofthemanipulator,manipulatorarmstructuredesign,hydraulicsystemdesignofmechanicalhand,drawtheworkingprincipleofthehydraulicsystemofmanipulatordiagram.Thecontrolofthemanipulatorprogrammablecontroller,selecttheappropriatePLCmodel,accordingtotheworkflowmanipulatordevelopedPLCcontrolprogram,drawthemechanicalhandworkofthesequentialfunctionchartandtheladderdiagram,andcontrolprogramofprogrammablecontrolleKeywords:manipulator,sphericalcoordinateindustrialmanipulator,grasping,bar;hydraulic;PLC目录摘要 IIAbstract III目录 IV1绪论 11.1选题背景 11.2机械手发展现状和趋势 21.3机械手的系统工作原理及组成 21.3球坐标工业机械手的组成 22球坐标工业机械手设计要求与方案 32.1球坐标工业机械手技术参数 32.2总体方案分析 32.3动作原理 42.4工业机械手的传动方案设计 42.5球坐标工业机械手驱动方式的选择 53球坐标工业机械手各主要组成部分设计 73.1手部结构 73.1.1手部结构种类 73.1.2夹持器设计计算 83.1.3手部校核 93.2升降方向设计计算 93.2.1初步确系统压力 103.2.2升降油缸计算 103.3油缸主要部位的计算校核 143.3.1缸筒壁厚的计算 143.3.2活塞杆强度和液压缸稳定性计算 153.3.3缸筒壁厚的验算 173.3.4缸筒的加工要求 183.3.5法兰设计 193.3.6(缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算 193.4活塞的设计 213.5导向套的设计与计算 223.6端盖和缸底的设计与计算 243.7缸体长度的确定 253.8缓冲装置的设计 253.9排气装置 263.10密封件的选用 283.11防尘圈 293.12液压缸的安装连接结构 303.13水平方向设计计算 333.13.1水平方向计算 333.13.2油缸的选型 333.14底座回转机构设计计算 333.14.1回转部位负载计算校核 343.14.2油马达的选型 353.15机身结构的设计校核 373.15.1油马达的选择 373.15.2螺柱的设计与校核 373.15.3机座的机械结构 383.6绘制液压系统图 393.6.1计算和选择液压元件 403.6.2液压系统性能的验算 414机械手控制系统设计 424.1机械手的工艺过程 424.2PLC控制系统 434.3PLC控制系统程序设计 44总结与展望 47参考文献 48致谢 49

1绪论1.1选题背景机械手是工业自动化发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。目前，我国大多数工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。1.2机械手发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：（1）机械结构向模块化、可重构化发展。（2）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。（3）机械手中的传感器作用日益重要，使其向智能化方向发展。（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；（5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器，多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.3机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。控制系统控制系统（PLC）位置检测装置驱动系统位置检测装置驱动系统执行机构执行机构机身手臂手腕手部机身手臂手腕手部图1-1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。（1）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。①手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本设计中采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。②手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。③手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如气缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。④立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。⑤机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。（3）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（4）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.3球坐标工业机械手的组成执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。球坐标工业机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。时间、速度和加速度等参数。球坐标工业机械手与主机及其它有关装置之间的联系[3]。2球坐标工业机械手设计要求与方案2.1球坐标工业机械手技术参数坐标形式:球坐标坐标系抓重自由度伸缩X升降Z球坐标200N4350mm，<200mm横移Y回转φ俯仰θ0°~210°，<90°/s0°~45°，<90°/s回转ω手指夹持范围0°~180°，<90°/s棒料，直径φ40~φ60，长度450~1200mm定位方式驱动方式定位精度控制方式电位器(或接近开关等)设定，点位控制液压(中、低压系统)±3mmPLC控制2.2总体方案分析由设计内容可知，本次设计所确定的机械手的整体结构为球坐标式机械手，此机械手要实现从传送带到设备的上下料过程。传送带移动方向与设备上所夹持的工件方向垂直。因此手臂动作为摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求放置不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。通过以上分析，这里初选三个方案，各方案如下：方案一：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用电动机实现。方案二：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用齿轮齿条实现，手腕的回转用电动机实现。方案三：机身的旋转，采用摆动液压缸驱动实现，大手臂的俯仰采用摆动液压缸驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用摆动液压缸。通过方案一，方案二和方案三的比较分析可知，方案一从功能上讲可以满足条件，但电动机的造价太高，不太经济。方案二中也存在上述的问题。同时齿轮齿条的驱动精度太低，在抓取工件时定位精度不够准确，且结构大而复杂。方案三中，由液压缸来完成的部分，不仅驱动力大且结构也相对简单，虽然摆动缸结构尺寸大但输出转矩大，进行优化设计，从而得出方案三最佳，并最终确定此次的设计方案方案三，方案如下：机身旋转、手腕转动，均采用摆动缸来控制，手臂的伸缩用伸缩缸控制，手爪的松夹用夹紧缸来控制。2.3动作原理本次设计是液压驱动，电气控制。机械手的各个动作是由液压缸来驱动的，其动作过程是由液压缸的各个动作运动至终点时压合行程开关，将行程开关的机械运动通过PLC转化为电磁阀得电和失电，后由电磁阀控制各油路的通断，以实现各液压缸的相应运动，从而控制机械手的各个动作。2.4工业机械手的传动方案设计2.4.1按工业机械手的不同形式及其组合情况，其活动范围的图形也是不同的，基本上可分为四种运动形式；直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手、关节式机械手。根据设计要求，选用球坐标型式。由于液压传动具有以下几个优点：(1)压力高，可实现较大的驱动力，机构可做的较小，紧凑。(2)无级变速，定位精度高，可实现任意中间位置的停止。系统固有震动频率小，压力、容量调节容易。(3)重量小，惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞小。2.4.2图2总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。感知系统：即传感器的选择及具体作用。2.5球坐标工业机械手驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、液压驱动和油马达驱动四种基本形式。但与液压驱动相比，功率较小，液压驱动的能源、结构都比较简单速度不易控制，精度不高。油马达传动能源简单，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，机构速度变化范围大，效率高，控制灵活。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用液压或者液压传动，就必须带有旋转液压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用传动的驱动方式，通过油马达带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用液压驱动方式。3球坐标工业机械手各主要组成部分设计3.1手部结构3.1.1手部结构种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用的钢丝绳直径为50mm来设计。a．有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b．有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c．力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个球坐标工业机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d．手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。3.1.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足：（3-6）式中，为所需夹持力；安全系数，通常取1.2~2；为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；方位系数，查表选取；被抓持工件的重量200N；带入数据，计算得：；理论驱动力的计算：（3-7）式中，为柱塞缸所需理论驱动力；为夹紧力至回转支点的垂直距离；为扇形齿轮分度圆半径；为手指夹紧力；齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得计算驱动力计算公式为：（3-8）式中，为计算驱动力；安全系数，此处选1.2；工作条件系数，此处选1.1；而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有（3-9）式中，为柱塞缸工作油压；为柱塞截面积；选取缸内径为50mm3.1.3手部校核活塞杆直径查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7，d=35mm==961625N》37700N计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。经计算，所需的油压约为：(后续章节进行介绍)3.2升降方向设计计算3.2.1初步确系统压力表3-1按负载选择工作压力[1]负载/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5表3-2各种机械常用的系统工作压力[1]机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.8~23~52~88~1010~1820~32液压系统的最大负载约为2000N（其中重物200N，其它零部件重量加上摩擦超载等因素），初选液压缸的设计压力P1=10MPa3.2.2升手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力F摩和惯性力F惯之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力F驱可按下式计算：F驱=F摩+F惯±W(N)（4-2）式中F摩——各支承处的摩擦力（N）；F惯——启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算；W——臂部运动部件的总重量（N）；±——上升时为正，下降时为负。F惯其大小可按下式估算：F惯=a(N)式中W——手臂伸缩部件的总重量（N）；g——重力加速度（g=9.8m/s）；a——启动过程中的平均加速度（m/s），a=(m/s)；△v——速度变化量。手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度；△t——启动过程中所用的时间，一般为0.01~0.5s。当F摩=100N，F惯=130N，W=1000N(估算重物和臂部结构重量)时，△V=250mm/s(题目条件F驱=100+×+1000=1151（N），取液压缸的机械效率ηcm=0.9。（2）计算液压缸内径D和活塞杆直径d知最大负载工进F为1151.02N，取d/D=0.7=1.27D==0.124m=查得油缸的液压缸的内径为125mm,活塞杆直径为90mm,有效行程为200表4.1液压缸内径系列mm810121620253240506380100125160200200320400500液压缸缸体厚度计算缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。式中，——实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。[]——缸筒材料许用应力，N/mm。[]=，为材料的抗拉强度。注：1.额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=10MPa2.最高允许压力PmaxPmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：σb=600MPa安全系数n按《液压传动与控制手册》P243表2—10，取n=5。则许用应力[]==120MPa取液压缸厚度12.5取液压缸缸体外径为150mm。4.液压缸长度的确定液压缸长度L根据工作部件的行程长度确定。L=350mm(题目要求活塞杆直径的设计查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计我选择d/D=0.7，即d=0.7D=0.7×125=87.5mm。表4.2活塞杆直径系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220200280320360400故取d=90mm。2.活塞杆强度计算：式中————许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）3．活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）液压缸行程系列（GB2349-80）[6]2550801001251602002003204005006308001000120016002000200032004000表4-4（b）液压缸行程系列（GB2349-80）[6]406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c）液压缸形成系列（GB2349-80）[6]2402603003403804204805306006507508509501050120013001500170019002100240026003000340038003.3油缸主要部位的计算校核3.3.1缸筒壁厚的计算在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。当时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为式（3-2）式中，—缸筒内最高压力；—缸筒材料的许用压力。=,为材料的抗拉强度，n为安全系数，当时，一般取。当时,按式（3-3）计算(该设计采用无缝钢管)式（3-3）根据缸径查手册预取=30此时最高允许压力一般是额定压力的1.5倍，根据给定参数，所以：=71.5=10.5MP[]=100～110（无缝钢管），取[]=100，其壁厚按公式（3-3）计算为满足要求，就取壁厚为6mm。3.3.2活塞杆强度和液压缸稳定性计算A.活塞杆强度计算活塞杆的直径按下式进行校核式中，为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力，=,n一般取1.40。满足要求B.液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。若活塞杆的长径比且杆件承受压负载时，则必须进行液压缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校核依下式进行式中，为安全系数，一般取=2~4。a.当活塞杆的细长比时b.当活塞杆的细长比时式中，为安装长度，其值与安装方式有关，见表1；为活塞杆横截面最小回转半径，；为柔性系数，其值见表3-2；为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表1；为活塞杆材料的弹性模量，对钢取；为活塞杆横截面惯性矩；为活塞杆横截面积；为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表3-3。表3-2液压缸支承方式和末端系数的值支承方式支承说明末端系数一端自由一端固定1/4两端铰接1一端铰接一端固定2两端固定4表3-3、、的值材料铸铁5.61/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/500085c.当时,缸已经足够稳定，不需要进行校核。此设计安装方式中间固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。3.3.3缸筒壁厚的验算下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：A液压缸的额定压力值应低于一定的极限值，保证工作安全：式（3-4）根据式（3-4）得到：显然，额定油压==7MP，满足条件；B为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围：式（3-5）式（3-6）先根据式（3-6）得到：=41.21再将得到结果带入（3-5）得到：显然，满足条件；C耐压试验压力，是液压缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定的时间内，液压缸在此压力下，全部零件不得有破坏或永久变形等异常现象。各国规范多数规定:当额定压力时（MPa）D为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压力应大于耐压试验压力：(MPa）式（3-7）因为查表已知=596MPa，根据式（3-7）得到：至于耐压试验压力应为：因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以完全满足条件。以上所用公式中各量的意义解释如下：式中:—缸筒内径（）；—缸筒外径（）；—液压缸的额定压力（）—液压缸发生完全塑形变形的压力（）；—液压缸耐压试验压力（）；—缸筒发生爆破时压力（）；—缸筒材料抗拉强度（）；—缸筒材料的屈服强度（；—缸筒材料的弹性模量（）；—缸筒材料的泊桑系数钢材：=缸筒的加工要求缸筒内径采用H7级配合，表面粗糙度为0.16，需要进行研磨；热处理：调制，HB240；缸筒内径的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；刚通直线度不大于0.03mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。3.3.5法兰设计液压缸的端盖形式有很多，较为常见的是法兰式端盖。本次设计选择法兰式端盖（缸筒端部）法兰厚度根据下式进行计算：式（3-8）式中，-法兰厚度（m）；—密封环内经d=40mm（m）；密封环外径（m）；=50mm系统工作压力（pa）；=7MPa附加密封力（Pa）；值取其材料屈服点353MPa；螺钉孔分布圆直径（m）；=55mm密封环平均直径（m）；=45mm法兰材料的许用应力（Pa）；[]=/n=353/5=70.6MPa—法兰受力总合力（m）所以=13.2mm为了安全取=14mm3.3.6(缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：图3-1缸体端部法兰用螺栓连接1-前端盖；2-缸筒螺栓强度根据下式计算：螺纹处的拉应力:(MPa)式（3-9）螺纹处的剪应力(MPa)式（3-10）合成应力(MPa)式（3-11）式中,—液压缸的最大负载，=A，单杆时，双杆是—螺纹预紧系数，不变载荷=1.25~1.5，变载荷=2.5~4；—液压缸内径；—缸体螺纹外径；—螺纹内经；—螺纹内摩擦因数，一般取=0.12;变载荷取=2.5~4；—材料许用应力，,为材料的屈服极限，n为安全系数，一般取n=1.2~1.5；Z—螺栓个数。最大推力为：使用4个螺栓紧固缸盖，即：=4螺纹外径和底径的选择：=10mm=8mm系数选择：选取=1.3=0.12根据式（3-9）得到螺纹处的拉应力为：=根据式（3-10）得到螺纹处的剪应力为：根据式（3-11）得到合成应力为：==367.6MPa由以上运算结果知，应选择螺栓等级为12.9级；查表的得：抗拉强度极限=1220MP;屈服极限强度=1100MP；不妨取安全系数n=2可以得到许用应力值：[]=/n=1100/2=550MP证明选用螺栓等级合适。3.4活塞的设计活塞的宽度一般取=（0.6-1.0）即=（0.6-1.0）×125=（75-125）mm取=80mm由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞与缸体的密封形式分为：间隙密封（用于低压系统中的液压缸活塞的密封）、活塞环密封（适用于温度变化范围大、要求摩擦力小、寿命长的活塞密封）、密封圈密封三大类。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小）、Y形密封圈（用在20Mpa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封）、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。综合以上因素，考虑选用O型密封圈。3.5导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度[1]。如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为:（4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.6~1.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.6~1.0)d.。活塞宽度B取B=(0.6~1.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1液压缸最小导向长度[1]因此:最小导向长度，取H=9cm；导向套滑动面长度A=活塞宽度B=隔套K的宽度2.导向套的结构导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。1）普通导向套这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用[6]。2）易拆导向套这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。3）球面导向套这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。4）静压导向套活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。3.6端盖和缸底的设计与计算在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中D1——螺钉孔分布直径，cm；P——液压力，；——密封环形端面平均直径，cm；——材料的许用应力，。2.缸底的设计缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。2.端盖的结构端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题[6]。缸体端部的连接形式有以下几种：A．焊接特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。主要用于柱塞式液压缸。B．螺纹连接（外螺纹、内螺纹）特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。C．法兰连接特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。非焊接式法兰的端部应燉粗。D．拉杆连接特点是结构通用性好。缸体加工容易，装卸方便，使用较广。外形尺寸大，质量大。用于载荷较大的双作用缸。E．半球连接，它又分为外半环和内半环两种。外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。F．钢丝连接特点是结构简单，尺寸小，质量小。3.7缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度[1]。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的20~30倍。取系数为5,则液压缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.8缓冲装置的设计液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压缸的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床液压缸中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.9排气装置如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力油进入液压缸后，缸内仍会存在空气[6]。由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压缸在工作中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作。比如液压导轨磨床在加工过程中，这不仅会影响被加工表面的光洁程度和精度，而且会损坏砂轮和磨头等机构。为了避免这种现象的发生，除了防止空气进入液压缸外，还必须在液压缸上设置排气装置。配气装置的位置要合理，由于空气比压力油轻，总是向上浮动，因此水平安装的液压缸，其位置应设在缸体两腔端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖的上方。一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞如图4-2（a）所示。表4-5排气阀（塞）尺寸[6]d阀座阀杆孔cDM16611619.29323117108.53484~623M20x2814725.41143392213114594~828图4-2(a)整体排气孔图4-2（b）组合排气孔图4-2（c）整体排气阀零件结构尺寸由于螺纹与缸筒或端面连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出来并经过斜孔排除缸外。这种排气装置简单、方便，但螺纹与锥面密封处同轴度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，造成外泄漏。组合排气塞如图4-2（b）所示，一般由络螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面排出空气。排气装置的零件图及尺寸图见4-2（c）以及表4-2（d）。图4-2（d）组合排气阀零件结构尺寸3.10密封件的选用1.对密封件的要求液压缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现在密封技术来分析，液压缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料液压缸，如摆动液压缸等。液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。2.O形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、缸盖与缸体端面等处[6]。这些部位虽然是静密封，但因工作由液压力大，稍有意外，就会引起过量的内漏和外漏。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈虽小，确实一种精密的橡胶制品，在复杂使用条件下，具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能。在设计选用时，根据使用条件选择适宜的材料和尺寸，并采取合理的安装维护措施，才能达到较满意的密封效果。安装O形圈的沟槽有多种形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圆形、斜底形等，可根据不同使用条件选择，不能一概而论。使用最多的沟槽是矩形，其加工简便，但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。2.动密封部位密封圈的选用液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（导向套）的密封等。形密封圈是我国液压缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈。它是一种轴、孔互不通用的密封圈。一般，使用压力低于16MPa时，可不用挡圈而单独使用。当超过16MPa并用于活塞动密封装置时，应使用挡圈，以防止间隙“挤出”。3.11防尘圈防尘圈设置与活塞杆或柱塞密封外侧，用于防止外界尘埃、沙粒等异物侵入液压缸，从而可以防止液压油被污染导致元件磨损。1.防尘圈A型防尘圈是一种单唇无骨架橡胶密封圈，适于在A型密封结构形式内安装，起防尘作用。B型防尘密封圈是一种单唇带骨架橡胶密封圈，适于在B型密封结构形式内安装，起防尘作用。C型防尘圈是一种双唇密封橡胶圈，适于在C型结构形式内安装，起防尘和辅助密封的作用。2.防尘罩防尘罩采用橡胶或尼龙、帆布等材料制作。在高温工作时，可用氯丁橡胶，可在130℃3.12液压缸的安装连接结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸近处有口的连接等。1.液压缸的安装形式液压缸的安装形式很多，但大致可以分为以下两类。1）轴线固定类这类安装形式的液压缸在工作时，轴线位置固定不变。机床上的液压缸绝大多数是采用这种安装形式。A通用拉杆式。在两端缸盖上钻出通孔，用双头螺钉将缸和安装座连接拉紧。一般短行程、压力低的液压缸。B法兰式。用液压缸上的法兰将其固定在机器上。C支座式。将液压缸头尾两端的凸缘与支座固定在一起。支座可置于液压缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。2）周线摆动类液压缸在往复运动时，由于机构的相互作用使其轴线产生摆动，达到调整位置和方向的要求。安装这类液压缸，安装形式也只能采用使其能摆动的铰接方式。工程机械、农用机械、翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。A耳轴式。将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内，使液压缸轴线能在某个平面内自由摆动。B耳环式。将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起，使液压缸能在某个平面内自由摆动。耳环在液压缸的尾部，可以是单耳环，也可以是双耳环，还可以做成带关节轴承的单耳环或双耳环。C球头式。将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起，使液压缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动。2.液压缸油口设计油口孔是压力油进入液压缸的直接通道，虽然只是一个孔，但不能轻视其作用[6]。如果孔小了，不仅造成进油时流量供不应求，影响液压缸的活塞运动速度，而且会造成回油时受阻，形成背压，影响活塞的退回速度，减少液压缸的负载能力。对液压缸往复速度要求较严的设计，一定要计算孔径的大小。液压缸的进出油口，可以布置在缸筒和前后端盖上。对于活塞杆固定的液压缸，进出油口可以设在活塞杆端部。如果液压缸无专用排气装置，进出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。液压缸进出油口的链接形式有螺纹、方形法兰和矩形法兰等。B.O形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。C.动密封部位密封圈的选用由于O型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用O形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。V形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。U形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于10MPa时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属Yx型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈，分轴用和孔用两种。综上，所以本设计选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：a.降低摩擦阻力，无爬行现象；b.具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；c.安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：图3-2密封方式图3.13水平方向设计计算3.13.1当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重200N，长度l=1000mm。如图3.4所示。工件工件图3.4受力简图(1)计算扭矩[4](2)液压缸（伸缩）及其配件的估算扭矩[4]F=200NS=50mm（带入公式2.9得=200×50×1=10000（N·mm）由于水平方向的油缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举3.13.速易可目前主要产品有：无杆油缸、滑台油缸、止动油缸、回转油缸、机械夹、回转夹紧气（油）压缸、导杆油缸、带锁油缸、双轴缸、标准型油缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关液压辅助零组件。3.14底座回转机构设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转0°~210°，<90°/s3.14.1回转部位负载计算.若传动负载作回转运动负载额定功率：（3-24）负载加速功率：（3-25）负载力矩（折算到油马达轴）：（3-26）负载GD（折算到油马达轴）：（3-27）起动时间：（3-28）制动时间：（3-29）式中，为额定功率，KW；为加速功率，KW；为负载轴回转速度，r/min；为油马达轴回转速度，r/min；为负载的速度，m/min；为减速机效率；为摩擦系数；为负载转矩（负载轴），；为油马达启动最大转矩，；为负载转矩（折算到油马达轴上），；为负载的，；为负载（折算到油马达轴上），；为油马达的，；具体到本设计，因为步进油马达是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；（3-30）式中，为滚动轴承摩擦系数，取0.005；为机械手本身与负载的重量之和，取25(200N)；为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且，带入数据得：=10.45667。将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到油马达轴上的负载转矩为：。3.14.2油马达的选型根据参数，选型为BM-R100臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。球坐标工业机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了[5]。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得：=1000×π×40²=1004800mm³/s=0.1/10²m³/s=1000ml/s(2)手臂右腔工作压力，公式（3.8）得：（3.12）式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，F=1000kg，=10000N。(4)由初步计算选油泵所需液压最高压力P=10Mpa所需液压最大流量Q=1000ml/s3.15机身结构的设计校核臂部和机身的配置形式基本上反映了球坐标工业机械手的总体布局。本课题球坐标工业机械手的机身设计成机座式，这样球坐标工业机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型球坐标工业机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求[7-9]。3.15.1油马达的选择机身部使用了两个油马达，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的油马达安装在肋板上，带动机身回转的油马达安装在混凝土地基上。 带动臂部升降的油马达：初选上升速度V=100mm/sP=6KW所以转/分3.15.2螺柱的设计与校核螺杆是球坐标工业机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距P=6mm梯形螺纹螺纹的工作高度h=0.5P（3.17）=3mm螺纹牙底宽度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（3.18）螺杆强度〖11〗（3.19）=30～50Mpa螺纹牙剪切=40弯曲=45～55(1)当量应力(3.20)式中T——传递转矩N·mm[σ]——螺杆材料的许用应力所以代入公式（3.20）得：6220025d12+11236≤900d16×10126220025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012即16471pa＜535340pa合格(2)剪切强度（旋合圈数）（3.21）（3.22）=206.8×103pa=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa(3)弯曲强度=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa合格3.15.3机座的机械结构带动机身回转的油马达：初选转速W=60º/sN=1/6转/秒=10转/分由于齿轮I=3减速器I=30所以n=10×3×30=900转/分3.6绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图3-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。3.6.1计算和选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力（3-12）式中，计算工作压力，前以定为；对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（3-13）（2）确定液压泵的流量（3-14）式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。（3-15）经计算得=3.140带入上式得（3）确定液压泵电机的功率（3-16）式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；液压泵实际工作压力，5；为液压泵总效率，取为0.8；带入数